CN100405879C - 基于双气体源的大气压放电冷等离子体发生器 - Google Patents

Abstract

本发明属于大气压放电冷等离子体发生器技术领域，其特征在于：所述发生器的供气系统采用双气体源供气系统和裸露电极结构，从而构成平板型的或圆型或椭圆型的大气压放电冷等离子体发生器。所述的双气体源供气系统可以实现诱导空气或其它大气压下不能稳定放电的气体放电，裸露电极结构可以避免已有的介质阻挡放电中电极表面电介质损坏的问题，使冷等离子体工作气体最终为空气或其它大气压下不能稳定放电的气体，从而可以大大降低该项技术的使用成本。

Description

基于双气体源的大气压放电冷等离子体发生器

技术领域

本发明属于大气压冷等离子体发生器技术领域。

背景技术

目前，在低气压条件下可以产生大面积的非平衡冷等离子体，但真空腔的存在，一方面使得设备的制造和维护费用大大增加，另一方面也限制了被处理工件的几何尺寸，从而极大地限制了其应用范围。当前在大气压条件下能够产生的等离子体有两种，一种是热等离子体，其特征是气体温度往往很高，大约10000K量级，主要用于等离子体喷涂、切割、焊接、废物处理、材料表面加工等领域。由于热等离子体温度很高，因此，对于畏热材料，不能采用其进行处理；另一种是冷等离子体，其特征是气体温度很低(接近室温)，但电子温度很高，因此具有很高的化学活性，属于非平衡冷等离子体。但目前在大气压条件下产生冷等离子体的方法主要是电晕放电、介质阻挡放电等。采用上述方法产生的冷等离子体往往体积比较小，而且空间分布很不均匀。最近提出的大气压射频辉光放电冷等离子体技术，可以在大气压条件下产生比较大面积的均匀放电的冷等离子体。大气压射频辉光放电冷等离子体技术由于摆脱了昂贵、复杂的真空系统的限制，在微电子工业、核工业(核废料处理)、生物医学领域、军事领域、甚至在保障国家安全等诸多领域都将有着非常广阔的应用前景，如等离子体刻蚀、等离子体辅助化学气相沉积、材料表面改性、清除生化有机物、放射性废料处理或者清洗放射性沾染的表面、热电厂和某些化工厂的脱硫、脱硝、汽车尾气处理、医疗器械的快速消毒灭菌、制药和食品行业的消毒、食品保鲜、皮肤病治疗等。

但是现有的大气压冷等离子体发生器，无论是平板型冷等离子体发生器还是同轴型冷等离子体发生器，冷等离子体工作气体为纯氦气或者纯氩气等工业气体，或者电极表面附有电介质层，从而大大提高了冷等离子体技术的使用成本，降低了冷等离子体发生器的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双气体源的大气压放电冷等离子体发生器。

本发明所述发生器的特征之一在于，所述发生器是基于平板型结构的大气压放电冷等离子体发生器，含有：

电极由上、下两块平板构成，该电极间有支撑和密封用的绝缘体；

双气体源：包括空气在内的在大气压下不能稳定放电的主工作气体的气源以及包括氦气或者氩气在内的能在大气压下稳定放电的诱导气体的气源，该主工作气体源及诱导气体源的出气口通过传输管道与冷等离子体发生器电极间的放电室相连。

本发明所述发生器的特征之二在于，所述发生器是基于圆型或椭圆型结构的同轴型大气压放电冷等离子体发生器，含有：

内电极，接射频电源；

绝缘支架，外套于所述内电极；

外电极，外套于所述绝缘支架并接地，该外电极侧向开有进气口，另一侧有一个与所述外电极相连的喷嘴；

双气体源，包括空气在内的在大气压下不能稳定放电的主工作气体的气源以及包括氦气或者氩气在内的能在大气压下稳定放电的诱导气体的气源，该主工作气体源及诱导气体源的出气口通过传输管道与冷等离子体发生器电极间的放电室相连。

本申请将双气体源供气系统结构应用于大气压射频放电冷等离子体发生器，能在大气压下稳定工作，其优点是：

(1)采用射频电源在大气压下形成均匀、稳定的低温非平衡冷等离子体射流；

(2)采用空气或其它大气压下不能稳定放电的气体为工作气体。

(3)使用裸露电极。

(4)首先使用纯氦气或者氩气等大气压下能稳定放电的气体放电，然后诱导空气或其它大气压下不能稳定放电的气体放电。

(5)采用的结构便于实际应用。

本申请将双气体源供气系统结构应用于大气压射频放电冷等离子体发生器，可以使冷等离子体发生器的工作气体最终为空气或其它大气压下不能稳定放电的气体。同不采用该种双气体源供气系统结构设计的冷等离子体发生器相比，由于采用本申请所提出的双气体源供气系统结构后，可以使用空气或其它大气压下不能稳定放电的气体为工作气体，大大降低了冷等离子体发生器的工作成本，因此，该项技术的提出将大大地推动低温非平衡冷等离子体技术在等离子体刻蚀、薄膜沉积、生化清洗、消毒灭菌、空气净化、废物处理、疾病治疗、材料表面改性等领域的实际应用，显示其高效、快速的处理能力。

附图说明

图1双气体源供气系统示意图。

图2圆型或椭圆型结构的同轴型大气压放电冷等离子体发生器剖视图。

图3流量控制器结构图。

图4平板型大气压放电冷等离子体发生器示意图。

图5位于冷等离子体发生器进气口处的圆型或椭圆型缩放通道示意图；

51：纵剖视图；52：位于喉部的横剖视图；

53：内或外电极正视图。

图6位于冷等离子体发生器进气口处的方型缩放通道示意图；

61：纵剖视图；62：横剖视图；

63：内或外电极正视图。

图7进气口处有平板型缩放通道结构的冷等离子体发生器的剖视图。

图8出气口处有平板型缩放通道结构的冷等离子体发生器的剖视图。

图9处于放电处的圆型或椭圆型通道结构的剖视图。

图10、12出气口处带有圆型或椭圆型缩放通道结构的冷等离子体发生器的剖视图之一、二。

图11位于出气口处的圆型或椭圆型缩放通道结构的剖视图。

图13采用平板型缩放通道结构的由多个平板型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图之一：采用自然冷却。

图14采用平板型缩放通道结构的由多个平板型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图之二：采用气体冷却方式。

图15轴向进气、外形为方形的多个同轴型冷等离子体发生器构成阵列型冷等离子体发生器示意图。

图16采用圆柱型缩放通道结构的由多个圆柱型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图：采用自然冷却。

图17采用方型缩放通道结构的由多个方型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图：工作气体即为冷却气体。

具体实施方式：

本申请在冷等离子体发生器中采用了如图1所示的双气体源供气系统。通过使大气压下可以稳定放电的气体(如氦气，氩气等)首先放电，然后增加大气压下不能稳定放电的气体(如空气，氮气等)流量，诱导其放电，并同时逐渐关闭诱导气体(大气压下可以稳定放电的气体)，最终实现空气、氮气等大气压下不能稳定放电气体的放电，从而拓展了大气压放电冷等离子体工作气体的种类，大大降低了该项技术的使用成本。

图1为双气体源供气系统示意图。其中，101为诱导气体源(大气压下可稳定放电的气体源，如氦气瓶，氩气瓶等)，102为大气压下不能稳定放电的气体源(如空气压缩机，压缩空气气瓶，氮气瓶等)，103为流量控制器，能够调整101与102的气体流量，通过冷等离子体发生器的光反馈适时增加102的流量，关闭101的流量。104为气瓶阀门，105为气体传输管道，106为流量计，107为A/D转换器，108为绝缘材料，109为内电极，110为放电区域，111为喷嘴，112为外电极，113为光纤，114为流量传感器。

图2为圆型或椭圆型冷等离子体发生器示意图。201为绝缘材料，射频内电极202穿过201，与外电极205组合。内外电极间隙204为放电区。喷嘴203与外电极205相连。气体由图1所示系统提供，由进气口进入内外电极间隙204进行放电，冷等离子体通过喷嘴后从发生器出口喷出，形成冷等离子体射流。

图3为流量控制器结构图。309为诱导气体源(大气压下可稳定放电的气体源，如氦气瓶，氩气瓶等)，308为大气压下不能稳定放电的气体源(如空气压缩机，压缩空气气瓶，氮气瓶等)，312为流量控制器，311为气体传输管道，301为流量计，302为电机，303是可编程控制器CPLD，304为冷等离子体发生器，305为光电倍增管，306为A/D转换器，307为光纤，310为流量传感器，313为阀门。冷等离子体发生器304产生诱导气体的冷等离子体后，由光纤通过光电倍增管、A/D转换器反馈信号给可编程控制器303，可编程控制器驱动电机，逐渐开启主工作气体源308，同时逐渐关闭诱导气体源309，直至完全关闭诱导气体源309。凡是能实现此功能的工作模块，均在本申请保护范围之内。

图4为平板型冷等离子体发生器示意图。其中401为射频电极，402为地电极，403为放电区域。气体由图1所示系统提供，由进气口进入上下电极间隙403进行放电，形成冷等离子体射流。

图5为带有圆型或椭圆型缩放通道结构的平板型大气压射频放电冷等离子体发生器，其中501为外电极，502为内电极，503为圆型或椭圆型缩放通道。

图6为带有方型缩放通道结构的平板型大气压射频放电冷等离子体发生器，其中601为外电极，602为内电极，603为方型缩放通道。

图7为进气口处带有平板型缩放通道结构的平板型大气压射频放电冷等离子体发生器，其中701为缩放通道，702、704为电极，703为放电区域。

图8为出气口处带有平板型缩放通道结构的平板型大气压射频放电冷等离子体发生器，其中801为缩放通道，802、804为电极，803为放电区域。

图9为带有圆型或椭圆型缩放通道结构的同轴型大气压射频放电冷等离子体发生器，其中901为内电极，903为缩放通道，902为冷等离子体。相应地，采用该缩放通道结构设计的同轴型冷等离子体发生器侧面结构剖视图如图10所示，其中1001为内电极，1002为外电极，1003为圆柱型缩放通道，1004为放电区，1005为绝缘体。

图12为出口处带有圆型或椭圆型缩放通道结构的同轴型大气压射频放电冷等离子体发生器，其中1201为外电极，1202为内电极，1203为圆柱型缩放通道，1204为放电区。相应地，采用该缩放通道结构设计的同轴型冷等离子体发生器侧面结构剖视图如图11所示，其中1101为外电极，1102为内电极，1103为圆柱型缩放通道，1104为放电区。

图13为带有缩放型通道结构的由多个平板型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图(采用自然冷却方式)。其中1301表示阵列中的一个发生器。

图14为带有缩放型通道结构的由多个平板型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图(采用气体冷却方式)。其中1401表示阵列中的一个发生器。

图15为采用轴向进气方式的、外形为方形的、由多个同轴型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图，其中标号1501、1502分别表示正面和俯视示意图，1503表示采用轴向进气方式的、外形为方形的单个同轴型冷等离子体发生器。

图16为采用轴向进气方式的、外形为圆形的、由多个同轴型带有缩放通道的冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图，其中标号1601、1602分别表示正面和俯视示意图，1603表示采用轴向进气方式的、外形为圆形的单个同轴型冷等离子体发生器。

图17为采用方型缩放通道结构的由多个方型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图，其中标号1701、1702分别表示正面和俯视示意图，1703表示采用轴向进气方式的、外形为方形的单个同轴型冷等离子体发生器。

Claims (4)

1.基于双气体源的大气压放电冷等离子体发生器，其特征在于，所述发生器是基于平板型结构的大气压放电冷等离子体发生器，含有：

电极：由上、下两块平板构成，该电极间有支撑和密封用的绝缘体；

双气体源：包括主工作气体源和诱导气体源两个气源，主工作气体源是由包括空气在内的目前在大气压下不能稳定放电的气体组成，诱导气体源是由包括纯氦气或者纯氩气在内的能在大气压下稳定放电的气体组成，主工作气体源及诱导气体源的出气口通过传输管道与冷等离子体发生器电极间的放电室相连；

流量控制器为可编程控制器，设有：

主工作气体流量信号输入端，该输入端依次通过第一A/D转换器、第一流量传感器、第一流量计、第一阀门和主工作气体源相连；

诱导气体流量信号输入端，依次通过第二A/D转换器、第二流量传感器、第二流量计、第二阀门和诱导气体源相连；

冷等离子体射流的光信号输入端，该输入端依次通过第三A/D转换器、光电倍增管和位于冷等离子体发生器输出端的光纤相连；主工作气体流量的控制信号输出端，该输出端依次通过第一电机、第一阀门和主工作气体源相连；诱导气体流量的控制信号输出端，该输出端依次通过第二电机、第二阀门和诱导气体源相连，所述的第一流量计和第二流量计的输出端通过气体传输管道和冷等离子体发生器电极间的放电室相连。

2.根据权利要求1所述的基于双气体源的大气压放电冷等离子体发生器，其特征在于，所述冷等离子体发生器使用裸露金属电极。

3.基于双气体源的大气压放电冷等离子体发生器，其特征在于，所述发生器是基于圆型或椭圆型结构的同轴型大气压放电冷等离子体发生器，含有：

内电极，接射频电源；

绝缘支架，外套于所述内电极；

外电极，外套架于所述绝缘支架并接地，该外电极侧向开有进气口，另一侧有一个与所述外电极相连的喷嘴；

双气体源：包括主工作气体源和诱导气体源两个气源，主工作气体源是由包括空气在内的目前在大气压下不能稳定放电的气体组成，诱导气体源是由包括纯氦气或者纯氩气在内的能在大气压下稳定放电的气体组成，主工作气体源及诱导气体源的出气口通过传输管道与冷等离子体发生器电极间的放电室相连；

流量控制器为可编程控制器，设有：

主工作气体流量信号输入端，该输入端依次通过第一A/D转换器、第一流量传感器、第一流量计、第一阀门和主工作气体源相连；

诱导气体流量信号输入端，依次通过第二A/D转换器、第二流量传感器、第二流量计、第二阀门和诱导气体源相连；

冷等离子体射流的光信号输入端，该输入端依次通过第三A/D转换器、光电倍增管和位于冷等离子体发生器输出端的光纤相连；主工作气体流量的控制信号输出端，该输出端依次通过第一电机、第一阀门和主工作气体源相连；诱导气体流量的控制信号输出端，该输出端依次通过第二电机、第二阀门和诱导气体源相连，所述的第一流量计和第二流量计的输出端通过气体传输管道和冷等离子体发生器电极间的放电室相连。

4.根据权利要求3所述的基于双气体源的大气压放电冷等离子体发生器，其特征在于，所述的电极是裸露的。

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